劉志超 張?zhí)烊?廖皓磊 周文俊

腱反射是一種簡(jiǎn)單的反射[1],其傳入神經(jīng)和傳出神經(jīng)為股神經(jīng),神經(jīng)中樞位于脊髓的灰質(zhì)內(nèi)[2]。腱反射受脊髓影響,其強(qiáng)弱可反映中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能狀態(tài)[3]。在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的神經(jīng)反射檢查中,臨床醫(yī)師會(huì)經(jīng)常使用一種深反射檢查,即腱反射檢查,這是通過(guò)刺激骨膜、肌腱,經(jīng)深部感受器完成的神經(jīng)反射。讓檢查者取坐位(床邊),小腿完全松弛下垂與大腿呈直角;如果患者取仰臥位,檢查者以左手托起其膝關(guān)節(jié),使之屈曲120°,用右手持叩診錘,叩擊膝蓋髕骨下方股四頭肌的肌腱處,可引起小腿伸展[4]。

使用傳統(tǒng)叩診錘進(jìn)行神經(jīng)反射檢查方法的弊端:既不客觀也不精準(zhǔn),十分容易受到檢查者有限臨床經(jīng)驗(yàn)的“誤讀誤判”,以致影響“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的落實(shí),依賴叩診錘傳統(tǒng)的神經(jīng)反射檢查,已經(jīng)跟不上當(dāng)今“精準(zhǔn)健康”的現(xiàn)實(shí)需要了。鑒此,我們開發(fā)并研制出了新型快速電子的神經(jīng)反射檢查儀——電子式腱反射檢測(cè)儀。至今無(wú)實(shí)用電子式測(cè)試腱反射的裝置,僅有研究引起反射最小叩擊力量的叩診錘[5],幾乎沒(méi)有量化反射強(qiáng)度的電子裝置及相關(guān)文獻(xiàn)。醫(yī)師對(duì)患者的股四頭肌肌腱內(nèi)的感受器進(jìn)行刺激,通過(guò)肉眼觀察患者小腿動(dòng)作的幅度和速度,此時(shí)可能會(huì)忽略小腿肌肉發(fā)出的微弱反應(yīng),需多次叩擊膝蓋下邊附近,延誤診斷時(shí)間甚至損傷病患的膝蓋。量化腱反射強(qiáng)度有利于醫(yī)師進(jìn)行臨床診斷。

筆者采用叩擊膝蓋下邊時(shí)小腿動(dòng)作方向的加速度來(lái)量化表征腱反射強(qiáng)弱。若小腿加速度小于閾值則未發(fā)生腱反射,小腿加速度大于閾值且處于各層設(shè)定值范圍內(nèi)則分層次顯示腱反射強(qiáng)度?；诖朔椒ㄔO(shè)計(jì)制作了腱反射電子測(cè)試儀,通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)試小腿的反應(yīng)加速度來(lái)表征腱反射強(qiáng)度,從而診斷神經(jīng)系統(tǒng)的功能。

一、下肢腱反射測(cè)試原理

反射測(cè)試是通過(guò)刺激膝蓋處大腿肌肉的感受器(股四頭肌肌腱內(nèi)感受器),肌肉受到肌健的牽拉,肌肉中的肌梭同時(shí)受到牽拉而產(chǎn)生興奮,沖動(dòng)由傳入神經(jīng)纖維傳輸?shù)郊顾璧幕屹|(zhì),使支配股四頭肌的許多運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元同步產(chǎn)生沖動(dòng),引起股四頭肌收縮,使小腿前伸[6]。

醫(yī)學(xué)臨床上可用錘擊膝蓋附近小腿動(dòng)作方向的速度或幅度表征腱反射的強(qiáng)度。小腿踢出的方向與小腿垂直,其運(yùn)動(dòng)方向速度為做圓周運(yùn)動(dòng)的切向速度,腱反射測(cè)試時(shí)需腿部靜止,在初速度為0且小腿動(dòng)作時(shí)間t一定的情況下,小腿動(dòng)作方向的速度V與小腿動(dòng)作的加速度a成正比:

V=at

(1)

因此本文提出的判斷腱反射強(qiáng)弱的方法為:在小腿上固定腱反射測(cè)試儀,利用測(cè)試儀精確測(cè)出叩擊膝蓋附近時(shí)小腿動(dòng)作方向的加速度,用其大小表征腱反射強(qiáng)度。見(jiàn)圖1。

圖1 反射原理圖

二、下肢腱反射測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)

(一)總體結(jié)構(gòu)

測(cè)試儀佩戴在小腿上。測(cè)試儀內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用算法分層判定腱反射強(qiáng)度;傳感器需要精確、快速采集加速度;單片機(jī)與傳感器直接相連,單片機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算,通過(guò)LED燈將腱反射測(cè)試的結(jié)果顯示出來(lái)。見(jiàn)圖2。

圖2 腱反射測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)

(二)單片機(jī)設(shè)計(jì)

選用的單片機(jī)為STC90C51RD+芯片,是STC推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)[7]。其參數(shù)及特點(diǎn)如下:增強(qiáng)型8051單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。正常工作模式:典型功耗4～7 mA,工作電壓為3.3～5.5 V,工作頻率范圍0～40 MHz,用戶應(yīng)用程序空間可達(dá)61 K字節(jié),可以實(shí)現(xiàn)ISP(在系統(tǒng)可編程)或者IAP(在應(yīng)用可編程),通過(guò)串口(Rx,Tx)直接下載用戶程序,僅需數(shù)秒。

單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含中央處理器、程序儲(chǔ)存器、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O口、EEPROM、看門狗等模塊[7]。MCU的晶振頻率為12 MHz,對(duì)應(yīng)并聯(lián)的兩個(gè)電容均為30 pF。3位LED發(fā)光二極管陰極接P20(33)～P27(40)口,陽(yáng)極接1 kΩ的排阻。見(jiàn)圖3。

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

注：a為STC90C51RD+芯片，b為晶振回路，c為3位LED管顯示

(三)傳感器設(shè)計(jì)

加速度傳感器的核心模塊是JY901B芯片,體積小,可用USB充電或電池直接供電。能夠精確測(cè)量三軸加速度、三軸角速度、三軸角度。擁有32位高性能MCU,最高200 Hz數(shù)據(jù)輸出速率,動(dòng)態(tài)測(cè)角度的精度達(dá)到0.05度,并集成了高精度卡爾曼鋁箔姿態(tài)融合算法[9-10],其參數(shù)如下:工作電壓3.3～5 V,工作電流<40 mA,加速度三維加速度量程為-16 g～16 g,加速度分辨率6.1e-5g,數(shù)據(jù)接口為串口TTL電平,波特率支持2 400～921 600。見(jiàn)圖4。

(四)測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

測(cè)試儀內(nèi)部將1、2、3、5、6與4對(duì)應(yīng)的管腳相接,在盒表面可見(jiàn)的僅有1、3。測(cè)試儀長(zhǎng)100 mm,寬77 mm,厚30 mm。見(jiàn)圖5。

圖4 傳感器電路原理圖

注：VCC模塊電源輸入為3.3～5 V,SCL為時(shí)鐘線,SDA為數(shù)據(jù)線,A0為VCC,A1為RX串行數(shù)據(jù)輸入,A2為TX串行數(shù)據(jù)輸出,且均為TTL電平,GND接地

圖5 腱反射電子測(cè)試儀

注：1為L(zhǎng)ED顯示,2為USB口(既供電又可燒寫程序),3為開關(guān),4為單片機(jī),5為加速度傳感器,6為+5 V電池

三、腱反射電子測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)

(一)軟件總體結(jié)構(gòu)

為使單片機(jī)STC90C51編程方便快捷,使用C語(yǔ)言編程。采用Keil uVision4編譯器,支持眾多公司的51架構(gòu)芯片,能編譯和仿真,使用方法與Vc++類似,界面友好,編程效率高[11]。

腱反射程序流程主要包括:自檢單元、基準(zhǔn)面標(biāo)定單元、腱反射強(qiáng)度判定單元和顯示單元。見(jiàn)圖6。

圖6 腱反射流程圖

(二)腱反射強(qiáng)度計(jì)算程序結(jié)構(gòu)

1.自檢單元

首先開啟固定在小腿的腱反射測(cè)試儀電源,進(jìn)入自檢單元。單片機(jī)控制3個(gè)LED燈全亮,通過(guò)延時(shí)程序使1～3號(hào)燈持續(xù)2 s后使之熄滅。自檢單元檢查MCU和LED燈的運(yùn)行狀況正常。

2.基準(zhǔn)面標(biāo)定單元

在測(cè)試腱反射之前需要排除人腿動(dòng)作或震動(dòng)的干擾,通過(guò)比較加速度傳感器前后兩次采集的x軸和y軸的加速度值來(lái)標(biāo)定基準(zhǔn)。若兩次采集的x軸和y軸的加速度差值小于足夠小的設(shè)定值,則認(rèn)為傳感器未動(dòng)作,此時(shí)可開始進(jìn)行叩診測(cè)試腱反射,若兩次采集x軸和y軸的加速度差值大于設(shè)定值,則認(rèn)為加速度傳感器仍在動(dòng)作,不能進(jìn)行叩診測(cè)試。通過(guò)試驗(yàn),得到前后兩次采集的x軸和y軸加速度差值設(shè)定為1%時(shí),既能靈敏判定小腿是否動(dòng)作,又能快速開始叩診測(cè)試腱反射。見(jiàn)圖7。

圖7 基準(zhǔn)面標(biāo)定流程圖

3.腱反射強(qiáng)度判定

腱反射發(fā)生是由肌肉(股四頭肌)收縮帶動(dòng)股二頭肌舒張,從而引起小腿動(dòng)作。根據(jù)腱反射強(qiáng)度可用小腿動(dòng)作的加速度大小表征。利用固定在小腿上的加速度傳感器實(shí)時(shí)采集垂直于傳感器界面的z軸加速度,根據(jù)重力加速度g對(duì)其進(jìn)行歸一(即g為1),得到az。要得到小腿動(dòng)作方向的加速度,需利用z軸加速度az減去重力加速度g在z軸的分量,θz為g與z軸方向的夾角。推導(dǎo)出小腿動(dòng)作方向的加速度azx為:

azx=az-cosθz

(2)

據(jù)azx大小來(lái)判定腱反射的強(qiáng)度,并顯示出來(lái)。利用LED的亮燈情況來(lái)表征腱反射強(qiáng)度。腱反射越強(qiáng)(小腿反應(yīng)的速度越快),對(duì)應(yīng)azx的值越大。通過(guò)小樣本測(cè)試,初步設(shè)置azx<0.15時(shí),無(wú)亮燈;0.15≤azx<0.3時(shí),1號(hào)LED燈亮;0.3≤azx<0.9時(shí),2號(hào)LED燈亮;azx>0.9時(shí),3號(hào)LED燈亮。根據(jù)面板上亮燈情況分層表征腱反射的強(qiáng)度:無(wú)燈亮表示很弱,1號(hào)燈亮為“弱”,2號(hào)燈亮為“中”,3號(hào)燈亮為“強(qiáng)”。每一次叩擊測(cè)試完成后,1～3號(hào)燈熄滅,等待兩秒即可進(jìn)行下次測(cè)試,設(shè)計(jì)為循環(huán)測(cè)試,直至關(guān)閉腱反射測(cè)試儀的開關(guān)。見(jiàn)圖8。

圖8 反射強(qiáng)度判定流程圖

四、腱反射測(cè)試儀的應(yīng)用

(一)不同叩擊方式的測(cè)試

設(shè)計(jì)制作的腱反射測(cè)試儀在小樣本范圍進(jìn)行測(cè)試。為檢測(cè)不同叩擊方式對(duì)腱反射裝置的影響,將叩擊方式分為:被測(cè)對(duì)象自我叩擊,醫(yī)師對(duì)其進(jìn)行叩擊。在武漢大學(xué)人民醫(yī)院隨機(jī)對(duì)5位成年人進(jìn)行了腱反射檢測(cè),年齡25～57歲,標(biāo)號(hào)1～5號(hào),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同叩擊方式的測(cè)試結(jié)果

由表1可知,雖然腱反射測(cè)試儀的使用者不同,但測(cè)試結(jié)果基本相同。其中1號(hào)被測(cè)人員自我叩擊與被叩擊時(shí)測(cè)試結(jié)果不吻合是由于叩擊位置不準(zhǔn)確或叩擊前的自我心理暗示,再次自行叩擊測(cè)試得到與醫(yī)師叩擊測(cè)試一致的結(jié)果。1、2、4、5號(hào)被測(cè)人員腱反射正常,詢問(wèn)其病史,可知身體狀況無(wú)礙,小腿的反應(yīng)和電子測(cè)試儀顯示結(jié)果一致。而3號(hào)被測(cè)人員在三種叩擊方式測(cè)試下,結(jié)果均很弱,小腿沒(méi)有反射動(dòng)作,后詢問(wèn)其原因,3號(hào)被測(cè)人員曾患急性特發(fā)性多神經(jīng)炎,證明電子測(cè)試儀能夠準(zhǔn)確分辨腱反射強(qiáng)度并可推斷脊髓神經(jīng)系統(tǒng)的狀況。

由以上試驗(yàn)可得出:叩擊方式對(duì)腱反射的測(cè)試影響很小,可以隨時(shí)隨地利用該裝置測(cè)試腱反射強(qiáng)度,快速檢查神經(jīng)系統(tǒng)狀況。

(二)不同性別的測(cè)試

為探究腱反射測(cè)試儀檢測(cè)男性與女性的腱反射強(qiáng)度差別,在武漢大學(xué)人民醫(yī)院隨機(jī)尋找到30名測(cè)試對(duì)象,男女各15名,年齡21～55歲,使用的叩擊方式為試驗(yàn)員對(duì)被測(cè)人員進(jìn)行叩擊。見(jiàn)圖9。

圖9 不同性別腱反射測(cè)試結(jié)果

由圖9可知,極少數(shù)男性和女性腱反射強(qiáng)度處于很弱層次。問(wèn)詢調(diào)查對(duì)象得知,或因久坐、運(yùn)動(dòng)量過(guò)少,或由病毒感染的格林巴利氏綜合癥,或由于脊髓、頸椎受過(guò)創(chuàng)傷。由上圖還可知男性測(cè)試對(duì)象的腱反射強(qiáng)度普遍為中或強(qiáng),而女性測(cè)試對(duì)象多數(shù)腱反射強(qiáng)度為弱,可能因?yàn)槟行赃\(yùn)動(dòng)更加頻繁、身體也比較靈活,神經(jīng)系統(tǒng)狀況一般比女性亢奮,敏銳。通過(guò)該新型快速的電子測(cè)試儀提供的各種客觀數(shù)據(jù),讓傳統(tǒng)的神經(jīng)反射檢查更加精準(zhǔn)化,可有效地避免各科臨床醫(yī)師出現(xiàn)“誤讀誤判”的現(xiàn)象,有效地避免各地各級(jí)醫(yī)院檢查水準(zhǔn)的參差不一的現(xiàn)象,達(dá)到“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的既客觀又準(zhǔn)確的新水平。

根據(jù)上述兩次臨床測(cè)試后的數(shù)據(jù),對(duì)腱反射測(cè)試儀分層判斷的azx設(shè)定值進(jìn)行修正,并進(jìn)一步驗(yàn)證其腱反射測(cè)試的準(zhǔn)確度。

為驗(yàn)證腱反射儀的腱反射測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度以及在臨床上應(yīng)用的效率,在武漢大學(xué)人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科對(duì)100名不同年齡和性別的測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了腱反射測(cè)試儀測(cè)試和醫(yī)師常規(guī)測(cè)試(圖10)。橫坐標(biāo)代表不同的測(cè)試對(duì)象,分別編號(hào)1～100。圖中代表醫(yī)師檢查的結(jié)果,代表腱反射儀測(cè)試結(jié)果,縱坐標(biāo)表示腱反射的強(qiáng)度,將反射很弱和無(wú)反射的反射強(qiáng)度歸為反射強(qiáng)度0,將反射正常時(shí)的反射強(qiáng)度歸為1。對(duì)比兩種腱反射測(cè)試方法的效率,醫(yī)師在測(cè)試時(shí)既需要利用錘頭叩擊,還需要憑經(jīng)驗(yàn)觀察和判斷,最終確認(rèn)該檢測(cè)對(duì)象的檢查結(jié)果,每次檢測(cè)一定數(shù)量被測(cè)對(duì)象后需要休息,導(dǎo)致了醫(yī)師做常規(guī)檢測(cè)腱反射的耗時(shí)超過(guò)了使用腱反射儀測(cè)試的兩倍。

圖10結(jié)果顯示,腱反射測(cè)試儀在對(duì)100名不同測(cè)試對(duì)象的檢測(cè)中僅誤判一次,其原因可能是佩戴腱反射儀進(jìn)行測(cè)試時(shí),叩擊測(cè)試的次數(shù)不足影響了檢測(cè)結(jié)果,但該腱反射測(cè)試儀的準(zhǔn)確率仍高達(dá)99%,能夠高效率、準(zhǔn)確地檢測(cè)出腱反射很弱以及神經(jīng)系統(tǒng)病患者。

五、結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)神經(jīng)腱反射“精準(zhǔn)診斷”的醫(yī)學(xué)目標(biāo),我們研制出了這臺(tái)電子式腱反射測(cè)試儀,本文通過(guò)研究腱反射原理提出了采用測(cè)量小腿加速度來(lái)量化腱反射強(qiáng)度的方法。

1.根據(jù)腱反射發(fā)生時(shí)股四頭肌收縮同時(shí)帶動(dòng)股二頭肌舒張引起小腿動(dòng)作的現(xiàn)象,通過(guò)在小腿上固定腱反射測(cè)試儀,根據(jù)小腿動(dòng)作加速度,精確測(cè)試出腱反射強(qiáng)度。

圖10 腱反射測(cè)試結(jié)果

2.基于腱反射強(qiáng)度測(cè)試方法研制的電子測(cè)試儀,經(jīng)不同叩擊方式、不同性別測(cè)試,可分層顯示很弱、弱、中、強(qiáng),能快速檢測(cè)出患有脊髓神經(jīng)系統(tǒng)疾病的人員,并發(fā)現(xiàn)小樣本中女性的腱反射強(qiáng)度較弱。

3.該測(cè)試儀在醫(yī)院進(jìn)行的大量臨床測(cè)試下,調(diào)整算法程序中的分層設(shè)定值,使測(cè)試結(jié)果更加精確,在與醫(yī)師常規(guī)檢查腱反射方法對(duì)比后發(fā)現(xiàn),腱反射測(cè)試儀檢測(cè)的效率明顯比醫(yī)師常規(guī)檢查方法高,且準(zhǔn)確度達(dá)到99%,實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)診斷和高效診斷的醫(yī)學(xué)目標(biāo)。